Redes
ATM
¿Qué es ATM?
El Modo de
Transferencia Asíncrono es una tecnología de conmutación que usa pequeñas
celdas de tamaño fijo. ATM es asíncrono porque las celdas son transmitidas a
través de una red sin tener que ocupar fragmentos específicos de tiempo en
alineación de paquete, como las tramas T1. Estas celdas son pequeñas (53
bytes), comparadas con los paquetes LAN de longitud variable. Todos los tipos
de información son segmentados en campos de pequeños bloques de 48 bytes, los
cinco restantes corresponden a un header usado por la red para mover las
celdas. ATM es una tecnología orientada a conexión, en contraste con los
protocolos de base LAN, que son sin conexión. Orientado a conexión significa
que una conexión necesita ser establecida entre dos puntos con un protocolo de señalización
antes de cualquier transferencia de datos. Una vez que la conexión está
establecida, las celdas ATM se auto-rutean porque cada celda contiene campos
que identifican la conexión de la celda a la cual pertenecen.
Transmisiones
de diferentes tipos, incluyendo video, voz y datos pueden ser mezcladas en una
transmisión ATM que puede tener rangos de155 Mbps a 2.5Gbps. Esta velocidad
puede ser dirigida a un usuario, grupo de trabajo o una red entera, porque ATM
no reserva posiciones específicas en una celda para tipos específicos de
información. Su ancho de banda puede ser optimizado identificando el ancho de
banda bajo demanda. Conmutar las celdas de tamaño fijo significa incorporar
algoritmos en chips de silicón eliminando retrasos causados por software. Una
ventaja de ATM es que es escalable. Varios switches pueden ser conectados en
cascada para formar redes más grandes.
¿Qué
interfaces permite manejar ATM?
Existen dos interfaces
especificadas que son la interface usuario -red UNI (user-network
interface) y la de red a red NNI (network - network interface). La UNI liga un
dispositivo de usuario a un switch público o privado y la NNI describe una
conexión entre dos switches.
Hay dos
interfases públicas UNI, una a 45 Mbps y otra a 155 Mbps. La interfase DS3 está
definida en un estándar T1 del comité ANSI, mientras que la interfase de 155
Mbps está definida por los grupos estándar del CCITT y ANSI. Tres interfases
han sido desarrolladas para UNIs privadas, una a 100 Mps y dos a 155 Mbps. Es
seguro que la interfase estándar internacional SDH/SONET de 155 Mbps sea la
elegida porque permite interoperabilidad en UNIs públicas y privadas.
Como ATM es
una red orientada a conexión, un enlace entre dos puntos empieza cuando uno
transmite una solicitud a través de la UNI a la red. Un dispositivo responsable
de señalización pasa la señal a través de la red a su destino. Si el sistema
indica que se acepta la conexión, un circuito virtual es establecido a través
de la red ATM entre los dos puntos. Ambas UNIs contienen mapas para que las
celdas puedan ser ruteadas correctamente. Cada celda contiene campos, un
identificador de ruta virtual VPI (virtual path identifier) y un identificador
de circuito virtual VCI (virtual circuit identifier) que indican estos mapeos.
El uso de
celdas para transmitir datos no significa que los protocolos de hoy no sean
usados. ATM es totalmente transparente a protocolo. La carga de cada celda es
pasada por el switch sin ser leida a nivel binario. ATM usa el concepto de
control de error y flujo de fin a fin en contraste a la red convencional de
paquete conmutado que usa un control de error y flujo interno. Esto es que la
red en sí no checa la carga de datos para errores y lo deja al dispositivo
terminal final (De hecho, el único chequeo de error en las celdas es en el
header, así la integridad de los VCI/VPI está asegurada).
ATM está
diseñado para manejar los siguientes tipos de tráfico:
Clase
A - Constant Bit Rate (CBR), orientado a
conexión, tráfico síncrono (Ej. voz o video sin compresión).
Clase
B - Variable Bit Traffic (VBR), orientado a
conexión, tráfico sícrono (voz y video comprimidos).
Clase
C - Variable Bit Rate, orientado a conexión,
tráfico asíncrono (X.25, Frame Relay, etc).
Clase
D - Información de paquete sin conexión
(tráfico LAN, SMDS, etc).
Los switches
que se utilizan en la actualidad son usados para formar terminales de trabajo
de alto desempeño en grupos de trabajo. El mayor mercado para los switches ATM
será como columna vertebral de redes corporativas. Uno de los mayores problemas
que se enfrentan es el desarrollo de especificaciones para emulación de LAN,
una manera de ligar los switches ATM con las redes de área local. En la
actualidad solo existen soluciones de propietario.
¿Cómo
funciona ATM?
El
componente básico de una red ATM es un switch electrónico especialmente
diseñado para transmitir datos a muy alta velocidad. Un switch típico soporta
la conexión de entre 16 y 32 nodos. Para permitir la comunicación de datos a
alta velocidad la conexión entre los nodos y el switch se realizan por medio de
un par de hilos de fibra óptica.
Aunque un
switch ATM tiene una capacidad limitada, múltiples switches pueden
interconectarse ente si para formar una gran red. En particular, para conectar
nodos que se encuentran en dos sitios diferentes es necesario contar con un
switch en cada uno de ellos y ambos a su vez deben estar conectados entre sí.
Las
conexiones entre nodos ATM se realizan en base a dos interfaces diferentes como
ya mencionamos, la User to Network Interfaces o UNI se emplea para vincular a
un nodo final o edge device con un switch. La Network to Network Interfaces o
NNI define la comunicación entre dos switches.
Los
diseñadores piensan en UNI como la interface para conectar equipos del cliente
a la red del proveedor y a NNI como una interface para conectar redes de los
diferentes proveedores.
Tipos
de conexiones
ATM provee
servicios orientados a la conexión. Para comunicarse con un nodo remoto, un
host debe solicitar a su switch local el establecimiento de una conexión con el
destino. Estas conexiones pueden ser de dos naturalezas: Switched Virtual
Circuits (SVC) o Permanent Virtual Circuits (PVC).
Switched
Virtual Circuits (SVC)
Un SVC opera
del mismo modo que una llamada telefónica convencional. Un host se comunica con
el switch ATM local y requiere del mismo el establecimiento de un SVC. El host
especifica la dirección completa del nodo destino y la calidad del servicio
requerido. Luego espera que la red ATM establezca el circuito.
El sistema
de señalización de ATM se encarga de encontrar el path necesario desde el host
origen al host destino a lo largo de varios switches. El host remoto debe
aceptar el establecimiento de la conexión.
Durante el
proceso de señalización (toma este nombre por analogía con el usado en sistemas
telefónicos de los cuales deriva ATM) cada uno de los switches examina el tipo
de servicio solicitado por el host de origen. Si acuerda propagar información
de dicho host registra información acerca el circuito solicitado y propaga el
requerimiento al siguiente switch de la red.
Este tipo de
acuerdo reserva determinados recursos el switch para ser usados por el nuevo
circuito. Cuando el proceso de señalización concluye el switch local reporta la
existencia del SVC al host local y al host remoto.
La interface
UNI identifica a cada uno de los SVC por medio de un número de 24 bits. Cuando
un host acepta un nuevo SVC, el switch ATM local asigna al mismo un nuevo
identificador. Los paquetes transmitidos por la red no llevan información de
nodo origen ni nodo destino. El host marca a cada paquete enviado con el
identificador de circuito virtual necesario para llegar al nodo destino.
Nótese que
se ha evitado hablar de los protocolos usados para el establecimiento de los
SVC, para los procesos de señalización y para comunicar a los hosts el
establecimiento de un nuevo SVC. Además hay que tener en cuenta que
comunicaciones bidireccionales van a necesitar reservar recursos a lo largo del
SVC para dos sentidos de comunicación.
Permanent
Virtual Circuits (PVC)
La
alternativa al mecanismo de SVC descripto en el ítem anterior es evidente: el
administrador de la red puede configurar en forma manual los switches para
definir circuitos permanentes. El administrador identifica el nodo origen, el
nodo destino, la calidad de servicio y los identificadores de 24 bits para que
cada host pueda acceder al circuito.
Paths,
Circuitos e Identificadores
ATM asigna
un entero único como identificador para cada path abierto por un host. Este
identificador contiene mucha menos información de la que fue necesaria para la
creación del circuito. Además el identificador solo es válido mientras que el
circuito permanece abierto.
Otro punto a
tener en cuenta es que el identificador es válido para un solo sentido del
circuito. Esto quiere decir que los identificadores de circuito obtenidos por
los dos hosts en los extremos del mismo usualmente son diferentes.
Los
identificadores usados por la interface UNI están formados por 24 bits,
divididos en dos campos, el primero de 8 bits y el segundo de 16 bits. Los
primeros 8 bits forman el llamado Virtual Path Identifier y los 16 restantes el
Virtual Circuit Identifier. Este conjunto de bits suele recibir el nombre de
VPI/VCI pair.
Esta
división del identificador en dos campos persigue el mismo fin que la división
de las direcciones IP en un campo para identificar la red y un segundo campo
para identificar el host. Si un conjunto de VCs sigue el mismo path el
administrador puede asignar a todos ellos un mismo VPI. El hardware de ATM usa
entonces los VPI para funciones de ruteo de tráfico.
Transporte
de celdas
En cuanto al
transporte de información, ATM usa tramas de tamaño fijo que reciben el nombre
de celdas. El hecho de que todas las celdas sean del mismo tamaño permite
construir equipos de switching de muy alta velocidad. Cada celda de ATM tiene
una longitud de 53 bytes, reservándose los 5 primeros para el encabezado y el
resto para datos.
Dentro del
encabezado se coloca el par VPI/VCI que identifica al circuito entre extremos,
información de control de flujo y un CRC.
La conexión
final entre dos nodos recibe el nombre de Virtual Channel Connection o VCC. Una
VCC se encuentra formada por un conjunto de pares VPI/VCI.
Modelo
de capas de ATM
Capa Física
Ø
Define la forma en que las celdas se transportan
por la red
Ø
Es independiente de los medios físicos
Ø
Tiene dos subcapas
TC (Transmission Convergence Sublayer)
l PM (Physical Medium Sublayer)
Capa ATM
- Provee un solo mecanismo de transporte para
múltiples opciones de servicio
- Es independiente del tipo de información que
es transmitida (datos, gráficos, voz. audio, video) con excepción del tipo
de servicio (QOS) requerido
- Existen dos tipos de header ATM
-
UNI (User-Network Interface)
-
NNI (Network-Network Interface)
ATM Adaptation Layer
-
Provee las funciones orientadas al usuario no
comprendidas en la Capa ATM
-
Permite a la Capa ATM transportar diferentes
protocolos y servicios de capas superiores
-
Tiene dos subcapas
-
SAR (Segmentation and Reassembly Sublayer)
Si bien ATM se maneja con celdas a nivel de capas
inferiores, las aplicaciones que generan la información a ser transportada por
ATM no trabajan con celdas. Estas aplicaciones interactuarán con ATM por medio
de una capa llamada ATM Adaptation
Layer. Esta capa realiza una serie de funciones entre las que se
incluyen detección de errores (celdas corruptas).
En el
momento de establecer la conexión él host debe especificar el protocolo de capa
de adaptación que va a usar. Ambos extremos de la conexión deben acordar en el
uso del mismo protocolo y este no puede ser modificado durante la vida de la
conexión.
Hasta el
momento solo se han definido dos protocolos de capa de adaptación para ser
usados por ATM. Uno de ellos se encuentra orientado a la transmisión de
información de audio y video y el otro para la transmisión de datos
tradicionales.
ATM
Adaptation Layer 1 (AAL1) transmite información a una tasa de bits fija. Las
conexiones creadas para trabajar con video deben usar AAL1 dado que requieren
un servicio de tasa constante para no tener errores de parpadeo o flicker en la
imagen.
La
transmisión de datos tradicionales trabaja con la AAL5 para enviar paquetes de
un nodo a otro. Ahora, si bien ATM trabaja con tramas o celdas de tamaño fijo.
Los protocolos de capa superior generalmente manejan datagramas de longitud
variable. Una de las funciones de la AAL5 consiste en adaptar estas tramas a
celdas. En particular la AAL5 puede recibir datagramas de hasta 64 Kb de
longitud.
El paquete
manejado por la AAL5 difiere estructuralmente de otros tipos de tramas
existentes ya que la información de control se inserta al final de la misma. La
longitud de la misma es de 8 bytes.
Cada una de las
tramas de AAL5 debe ser fraccionada en celdas para poder ser transportadas por
la red para luego ser recombinadas en el nodo remoto. Cuando el datagrama es un
múltiplo de 48 bytes el resultado de la división da un número entero de celdas.
En caso contrario la última de las celdas no se encontrará completa.
Para poder
manejar paquetes de longitud arbitraria, AAL5 permite que la celda final pueda
contener entre 0 y 40 bytes de datos y coloca la información de control al
final de la misma antecedida por los ceros de relleno necesarios. En otras
palabras, la información de control se coloca al final de la secuencia de
celdas donde puede ser encontrada y extraída sin necesidad de conocer la
longitud del datagrama fraccionado.
Convergencia,
Segmentación y Reensamblado
Cuando una
aplicación envía datos sobre una conexión ATM usando AAL5, el host pasa los
datos a la interface AAL5. Esta divide los datos en celdas, genera el tráiler y
transfiere a cada una de ellas a través de la red ATM. En el nodo receptor AAL5
recibe las celdas y las reensambla en base a la información contenida en el
trailer para regenerar el datagrama original.
El nodo
origen usa el byte menos significativo del campo Payload Type de la celda para
indicar la celda final de un datagrama. Podemos pensar que este bit funciona
como un end of packet bit.
En ATM el
término convergencia se usa para identificar el método usado para detectar el
final de cada datagrama fraccionado.
Otras capas
de adaptación de ATM trabajan con métodos diferentes para resolver el problema
de convergencia.
¿Porqué
tanto interés por ATM?
1.- ATM se
ha originado por la necesidad de un standard mundial que permita el intercambio
de información, sin tener en cuenta el tipo de información transmitida. Con ATM
la meta es obtener un standard internacional. ATM es una tecnología que va
creciendo y es controlada por un consenso internacional no por la simple vista
o estrategia de un vendedor.
2.- Desde
siempre, se han usado métodos separados para la transmisión de información
entre los usuarios de una red de área local (LAN) y los de una red de gran
tamaño (WAN). Esta situación traía una serie de problemas a los usuarios de
LAN's que querían conectarse a redes de área metropolitana, nacional y
finalmente mundial. ATM es un método de comunicación que se puede implantar
tanto en LAN's como en WAN's. Con el tiempo, ATM intentará que las diferencias
existentes entre LAN y WAN vayan desapareciendo.
3.-
Actualmente se usan redes independientes para transportar voz, datos e imágenes
de video debido a que necesitan un ancho de banda diferente. Por ejemplo, el
tráfico de datos tiende a ser "algo que estalla", es decir, no
necesita comunicar por un periodo extenso de tiempo sino transmitir grandes
cantidades de información tan rápido como sea posible. Voz y video, por otra
parte, tienden a necesitar un tráfico más uniforme siendo muy importante cuando
y en el orden en que llega la información. Con ATM, redes separadas no serán
necesarias. ATM es el única tecnología basada en estándar que ha sido diseñada
desde el comienzo para soportar transmisiones simultáneas de datos, voz y
video.
4.- ATM es
un standard para comunicaciones que está creciendo rápidamente debido a que es
capaz de transmitir a una velocidad de varios Megabits hasta llegar a Gigabits.
Tecnología
ATM
1.- Cuando
necesitamos enviar información, el emisor "negocia" un camino en la
red para que su comunicación circule por él hacia el destino. Una vez asignado
el camino, el emisor especifica el tipo, la velocidad y otros atributos de
la comunicación.
2.- Otro
concepto clave es que ATM está basado en el uso de conmutadores. Hacer la
comunicación por medio de un conmutador (en vez de un bus) tiene ciertas
ventajas:
v
Reserva de ancho de banda para la conexión
v
Mayor ancho de banda
v
Procedimientos de conexión bien definidos
v
Velocidades de acceso flexibles.
Si usamos
ATM, la información a enviar es dividida en paquetes de longitud fija. Estos
son mandados por la red y el destinatario se encarga de poner los datos
en su estado inicial. Los paquetes en ATM tienen una longitud fija de 53
bytes. Siendo la longitud de los paquetes fija, permite que la información sea
transportada de una manera predecible. El hecho de que sea predecible
permite diferentes tipos de tráfico en la misma red.
Los paquetes
están divididos en dos partes, la cabecera y payload. El payload (que ocupa 48
bytes) es la parte del paquete donde viaja la información, ya sean datos,
imágenes o voz. La cabecera (que ocupa 5 bytes) lleva el mecanismo
direccionamiento.
Beneficios
1.- Una única
red ATM dará cabida a todo tipo de tráfico (voz, datos y video). ATM mejora la
eficiencia y manejabilidad de la red.
2.- Capacita
nuevas aplicaciones, debido a su alta velocidad y a la integración de los tipos
de tráfico, ATM capacita la creación y la expansión de nuevas aplicaciones como
la multimedia.
3.-
Compatibilidad, porque ATM no está basado en un tipo especifico de transporte
físico, es compatible con las actuales redes físicas que han sido
desplegadas. ATM puede ser implementado sobre par trenzado, cable coaxial
y fibra óptica.
4.-
Simplifica el control de la red. ATM está evolucionando hacia una tecnología
standard para todo tipo de comunicaciones. Esta uniformidad intenta simplificar
el control de la red usando la misma tecnología para todos los niveles de la
red.
5.- Largo
periodo de vida de la arquitectura. Los sistemas de información y las
industrias de telecomunicaciones se están centrando y están estandarizado
el ATM. ATM ha sido diseñado desde el comienzo para ser flexible en:
- Distancias geográficas
- Número de usuarios
Acceso y
ancho de banda (hasta ahora, las velocidades varían de Megas a Gigas).
